El cargador de su teléfono necesita medidas cuánticas precisas
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Si eres como yo, casi siempre estás cargando tu teléfono inteligente. Lo que quizás no se dé cuenta es que la capacidad de hacerlo de manera segura depende de una medición cuántica delicada a la vanguardia de la física.
Para entender por qué, debemos ver qué sucede cuando conecta su cargador a una toma de corriente estándar. La electricidad que fluye desde la salida lleva más de cientos de voltios, pero el cargador está diseñado para que para cuando la electricidad llegue a su teléfono, se ha convertido para transportar una docena. Si no fuera por esta reducción en el voltaje, el teléfono se incendiaría.
En otras palabras, el número exacto de voltios es importante de una manera muy concreta. Pero, ¿cómo sabemos qué es un solo voltio? ¿Y quién se asegura de que pueda confiar en el fabricante del cargador de su teléfono cuando informan su voltaje?
Aunque esto puede parecer una pregunta puramente científica, en los EE. UU. El Volt tiene una definición legal que data de 1904 y es mantenida por el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST), que tiene la tarea de garantizar que todas las industrias en el país estén de acuerdo en qué diferentes unidades, sean voltios o kilogramos o segundos, están y los usan de manera consistente. Muchos otros países tienen su propia unidad nacional de metrología para hacer lo mismo, como el laboratorio físico nacional del Reino Unido.
Cuando se trata del voltio, durante más de tres décadas, la definición de NIST se ha basado en un dispositivo cuántico. Aquí, los metrólogos comienzan con una variedad de superconductor Las uniones, una disposición de cruce de peatones de regiones superconductoras estrechas separadas por un material aislante, y la exponen a microondas de una frecuencia muy específica. Esto desencadena un efecto puramente cuántico que causa una diferencia de voltaje entre las uniones. El número de voltios que constituye esa diferencia está directamente relacionado con dos constantes fundamentales del universo. Esto permite a los investigadores aprovechar los números que, hasta donde sabemos, son parte del andamio de nuestra realidad física para definir qué es un voltio.
En particular, las dos constantes en este caso son la carga de un solo electrón, que es una partícula cuántica fundamental, y la constante de Planck, que relaciona la energía de un fotón, una partícula cuántica de luz, con su frecuencia. En otras palabras, la línea desde cargar su teléfono hasta los ingredientes más básicos del mundo cuántico es sorprendentemente corta.
Pero el voltio no está solo en estar enraizado en el reino cuántico. De hecho, en 2018 metrólogos de todo el mundo votaron por unanimidad a Redefinir varias entradas En el Sistema Internacional de Unidades (unidades SI) que los hicieron más íntimamente vinculados a los detalles del mundo microscópico.
Para algunas unidades, este cambio fue radical y dramático. El kilogramopor ejemplo, pasó de ser un trozo de aleación de platino que oficialmente solo podría pulirse con cuero desde una cabra europea en peligro de extinción, a ser definido en términos de una combinación de la constante de Planck, la velocidad de la luz y la frecuencia en la que los electrones “marcan” dentro de un tipo específico de reloj atómico. Si recientemente ha pisado una escala en el consultorio de un médico, resulta que la física cuántica era parte de cómo se asigna el significado al número que vio allí.
El movimiento hacia definiciones más cuánticas de unidades refleja avances científicos increíbles que hemos realizado en las últimas décadas cuando se trata de comprender, controlar y investigar nuestro mundo a sus escamas más pequeñas. Por ejemplo, en enero, hablé con Alexander Aeppli en la Universidad de Colorado Boulder, un investigador involucrado en la construcción de algunos de los relojes más precisos del mundo. “La frecuencia es lo mejor que los humanos hayan medido, somos los mejores para medir la frecuencia”, me dijo. Las frecuencias de estos relojes capturan con qué frecuencia los electrones saltan entre diferentes energías dentro de un átomo, un proceso que se rige por las leyes de la física cuántica.
Este notable nivel de control sobre los sistemas cuánticos, y los humanos son los “mejores” en algo cuántico, tiene beneficios más allá de una definición increíblemente precisa de un segundo. Los relojes basados en átomos, por ejemplo, podrían encontrar usos para calcular con precisión la forma de la Tierra o tal vez incluso en los sistemas de alerta temprana de próxima generación para terremotos y erupciones de volcán.
Ir cuándo también puede ayudar a democratizar el acceso a los mejores estándares de medición del mundo. Antes de la redefinición en 2018 de unidades SI, fabricantes, investigadores y tecnólogos que querían certificar que sus dispositivos eran precisos y calibrados correctamente a menudo tenían que enviarlos a su Instituto de Metrología local, donde los especialistas llevarían a cabo una certificación. Ahora, los estándares contra los cuales las unidades están certificadas son facetas de la naturaleza que están en juego para cualquier persona con un laboratorio lo suficientemente sofisticado. “Como solíamos decir, la idea es dejarnos fuera del negocio”, dice Richard Davisquien está retirado de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, que supervisa el sistema SI. “Todo el sistema es mucho más flexible, y también mucho menos eurocéntrico”.
“Tenemos todo este equipo, por lo que la gente viene a nosotros. Pero una de las cosas en las que hemos estado trabajando desde esa redefinición es que la gente ya no nos envíe su equipo, e intentamos enseñarles cómo medirlo ellos mismos”, Nist’s Jason Underwood me lo dijo en agosto. “Ya está este marco bajo el nuevo SI, donde todo lo que está tratando de hacer es crear un instrumento que pueda devolverle la trazabilidad a esas constantes fundamentales del universo”.
Él y su colega recientemente debut Un prototipo de un dispositivo cuántico que puede medir tres unidades eléctricas diferentes, incluido el Volt, simultáneamente, y uno de sus objetivos a largo plazo con la construcción fue exactamente para hacer algo que eventualmente podría abandonar el edificio NIST. Al ser un acuerdo tres en uno, dicho dispositivo, si es realmente portátil, haría que sea mucho más fácil y más asequible comparar dispositivos electrónicos con los estándares relevantes.
Históricamente, la forma en que pensamos sobre las unidades se ha vuelto cada vez más cuántica, pero ¿qué podría mantener su futuro? Cuando se trata de unidades eléctricas como las que se preocupan por Underwood y sus colegas, el estándar cuántico aún no se ha aceptado internacionalmente de la misma manera que la del segundo o el kilogramo, y se deben hacer muchos más experimentos para llegar allí. Dispositivos similares también se están desarrollando en otras partes del mundo, como por la UE. Consorcio de Quahmet.
El futuro del segundo también está en flujo, ya que los investigadores trabajan para construir relojes basados en átomos aún mejores y rediseñados y demostrar que podrían usarse para redefinir cómo medimos el tiempo. En abril, informé sobre un equipo internacional de investigadores que embarcado en un viaje épico Con varios de estos relojes frágiles y de última generación, uno de Japón, uno del Reino Unido y otro de Alemania, a cuestas, con la misión de comparar sus garrapatas. Este trabajo también está en curso, por lo que espero escribir más sobre relojes cuánticos en el futuro.
Pero a pesar de los metrólogos que buscan cada vez más estabilidad en sus definiciones, el trabajo de la metrología es inherentemente inestable, ya que está íntimamente vinculado a las políticas de financiación nacionales y la diplomacia internacional. Esto fue cierto en 1875, cuando los delegados en la Primera Convención Internacional de Medición tuvieron que navegar las tensiones políticas entre Francia y Alemania a raíz de la Guerra Franco-Prusiana. Y sigue siendo cierto hoy: cuando informé sobre el trabajo de NIST en agosto, parte de mi discusión con los investigadores fue sobre la infraestructura de la institución, que un Estudio 2023 encontrado que se deterioran. La administración Trump incluso propuso un recorte presupuestario del 43 por ciento para NIST a principios de este año. El Congreso finalmente rechazó la propuesta, pero el episodio subraya lo difícil que es divorciarse del trabajo de los institutos de metrología de la política nacional.
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